DeepMind大模型再登Nature：8分鐘預(yù)測(cè)15日天氣，準(zhǔn)確度超頂尖物理模型

克雷西 2024-12-05 15:06:13 來(lái)源：量子位

克雷西 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

DeepMind大模型再登上Nature——

氣象預(yù)測(cè)大模型GenCast，8分鐘內(nèi)完成15天的預(yù)測(cè)，而且不管常規(guī)還是極端天氣都能分析。

在97.2%的場(chǎng)景中，GenCast的表現(xiàn)都超過(guò)了全球頂尖的中期天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)ENS。

不同于DeepMind之前推出的GraphCast的確定性預(yù)測(cè)，GenCast關(guān)注的是各種天氣情況的概率。

和GraphCast一樣，GenCast也已經(jīng)開(kāi)源。

它基于擴(kuò)散模型實(shí)現(xiàn)，分辨率為0.25度經(jīng)度/緯度（在赤道處約為28×28公里），相當(dāng)于將地球表面分割成了超過(guò)100萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。

每個(gè)網(wǎng)格都涵蓋80多個(gè)地表和大氣變量，相當(dāng)于每次預(yù)測(cè)都有數(shù)千萬(wàn)甚至上億條數(shù)據(jù)生成。

測(cè)試結(jié)果表明，在1320種實(shí)驗(yàn)條件中，GenCast在97.2%的任務(wù)中，都比ENS更準(zhǔn)確。

對(duì)于GenCast的表現(xiàn)，論文作者、DeepMind研究人員Ilan Price表示：

我們確實(shí)取得了巨大的進(jìn)步，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)趕上了并超越了基于物理的模型。

準(zhǔn)確率超最強(qiáng)傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)天氣預(yù)報(bào)基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）算法實(shí)現(xiàn)，核心是對(duì)模擬大氣動(dòng)力學(xué)的方程求近似解。

不過(guò)，相比于單一確定性的預(yù)測(cè)，氣象機(jī)構(gòu)越來(lái)越依賴(lài)集合預(yù)報(bào)，生成多個(gè)基于NWP的結(jié)果，對(duì)各種可能的情景進(jìn)行建模。

GenCast做的也是集合式預(yù)報(bào)，當(dāng)然基于的原理不是NWP而是AI。

開(kāi)頭提到的ENS，就是目前最先進(jìn)的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，來(lái)自歐洲歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF），未來(lái)將被納入其確定性預(yù)報(bào)系統(tǒng)HRES。

但即便是這種最強(qiáng)的傳統(tǒng)方式，也無(wú)法戰(zhàn)勝AI系統(tǒng)。

在常規(guī)預(yù)報(bào)當(dāng)中，DeepMind團(tuán)隊(duì)利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)中未涵蓋的真實(shí)歷史（2019年）數(shù)據(jù)，設(shè)置了1320種實(shí)驗(yàn)條件，涉及不同的物理變量、預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)和垂直高度。

結(jié)果在97.2%的場(chǎng)景當(dāng)中，GenCast的CRPS都顯著優(yōu)于ENS，如果只看對(duì)36小時(shí)之后的預(yù)測(cè)，GenCast在99.6%的條件下都能勝出。

（CRPS衡量了預(yù)報(bào)與觀測(cè)值之間累積概率分布的差異，數(shù)值越小說(shuō)明預(yù)報(bào)越準(zhǔn)確）

對(duì)于高溫、大風(fēng)等極端天氣事件（實(shí)驗(yàn)中按發(fā)生概率分為1%/0.1%/0.01%三檔），除了在個(gè)別場(chǎng)景下，GenCast的預(yù)報(bào)的相對(duì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值（REV）顯著優(yōu)于ENS。

（2t代表距離海平面2米高處溫度，10wind_speed代表10米處風(fēng)速，msl代表平均海平面氣壓，藍(lán)線代表GenCast）

除了基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)，在下游應(yīng)用上GenCast也表現(xiàn)出了更強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力。

DeepMind團(tuán)隊(duì)測(cè)試了一款區(qū)域風(fēng)電應(yīng)用，使用全球發(fā)電廠數(shù)據(jù)庫(kù)中的5344個(gè)風(fēng)電場(chǎng)位置和裝機(jī)容量信息，通過(guò)插值獲得各風(fēng)電場(chǎng)位置的10米風(fēng)速預(yù)報(bào)，并通過(guò)功率曲線轉(zhuǎn)換為風(fēng)電功率。

在120公里、240公里、480公里三個(gè)空間聚合尺度上，GenCast的風(fēng)電功率預(yù)報(bào)CRPS和REV在7天內(nèi)都顯著優(yōu)于ENS。

不僅精準(zhǔn)性強(qiáng)，GenCast的預(yù)測(cè)速度也很快，完成一次15天的預(yù)測(cè)僅需約8分鐘，而ENS需要幾個(gè)小時(shí)。

用擴(kuò)散模型預(yù)測(cè)天氣

不同于DeepMind去年在Science上發(fā)表的GraphCast（基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GNN），GenCast基于擴(kuò)散模型實(shí)現(xiàn)。

它以最近的X(t)和前一步天氣狀態(tài)X(t-1)的殘差Z(t)為采樣條件，經(jīng)過(guò)去噪后得到預(yù)測(cè)結(jié)果，然后利用預(yù)測(cè)結(jié)果計(jì)算新的殘差作為新的輸入依據(jù)，將預(yù)測(cè)向更長(zhǎng)時(shí)間延伸。

而具體的去噪過(guò)程，DeepMind又選擇了交給Transformer來(lái)完成。

Transformer編碼器首先將物理狀態(tài)場(chǎng)從經(jīng)緯度網(wǎng)格表征映射到一個(gè)六次細(xì)化的二十面體網(wǎng)格上。

然后，在Transformer的自注意力機(jī)制中，網(wǎng)格上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)關(guān)注其周?chē)?2跳鄰域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，從而有效捕捉局部和中等尺度的天氣特征。

最后，解碼器將結(jié)果映射回原始分辨率，得到去噪后的結(jié)果。

GenCast從公開(kāi)的ERA5再分析數(shù)據(jù)集中，選取了1979至2018這40年的數(shù)據(jù)（間隔12小時(shí)，分辨率0.25°）對(duì)GenCast進(jìn)行了訓(xùn)練。

為了提高預(yù)訓(xùn)練效率，數(shù)據(jù)首先被降采樣到1°分辨率，使用5次細(xì)化的二十面體網(wǎng)格進(jìn)行學(xué)習(xí)。

這個(gè)階段需要200萬(wàn)步，在32個(gè)TPUv5實(shí)例上運(yùn)行約3.5天。

完成預(yù)訓(xùn)練后，再用原始的0.25度分辨率數(shù)據(jù)和6次細(xì)化的二十面體網(wǎng)格，對(duì)模型進(jìn)行高精度微調(diào)，共計(jì)64000步，需要約1.5天完成。

目前，像去年發(fā)布的確定性預(yù)測(cè)模型GraphCast一樣，GenCast也已經(jīng)開(kāi)源，代碼和模型權(quán)重均已發(fā)布。

DeepMind還表示，將會(huì)很快發(fā)布GenCast（和以前的模型）生成的實(shí)時(shí)和歷史預(yù)報(bào)結(jié)果，為其他研究者提供更多的研究資源。

論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08252-9
參考鏈接：
[1]https://deepmind.google/discover/blog/gencast-predicts-weather-and-the-risks-of-extreme-conditions-with-sota-accuracy/
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-024-03957-3